射頻電路CAD-10資料

1、射頻電路(dinl)CAD-10 Microwave-office 軟件介紹 褚慶昕 華南理工大學電子與信息(xnx)學院 共五十七頁10.1 引言(ynyn) Microwave Office（微波辦公室）軟件由美國AWR公司開發(fā)，是進行射頻、微波電路設計及仿真的專業(yè)軟件。它可以進行微波電路的線性、非線性仿真及電磁仿真，對電路進行分析、優(yōu)化，還可將原理圖轉換為布線圖，最后生成印制線路板圖。Microwave Office軟件有很直觀的用戶界面，是進行微波電路的理論研究和實際應用的強有力工具，在通信、電子等行業(yè)(hngy)的各大研究所、公司有廣泛的應用。 共五十七頁10.2 軟件設計環(huán)境(hu

2、njng) 主菜單與工具條主菜單在軟件主窗口(chungku)的頂部，包括File，Edit、Project等下拉菜單。工具條在主菜單的下一行，是一些常用選項，將鼠標放在任意圖標上，會顯示該按鈕的說明。主窗口的左側為瀏覽頁，左側底部是各瀏覽頁的標簽，共三種，點擊標簽即打開相應瀏覽頁。右側空白窗口為繪圖工作區(qū)。共五十七頁共五十七頁Proj（工程瀏覽頁） 點擊主窗口左下部的“Proj”標簽即可激活(j hu)工程瀏覽頁，包括工程的全部選項，為分層結構，如圖1所示。圖1 proj瀏覽(li ln)頁共五十七頁 Proj瀏覽頁包括：Design Notes(設計記事本) 可激活一個簡單(jindn)的

3、文本編輯器，用來說明工程。Project Frequency（工程頻率） 設定默認的頻率范圍，適用于工程中的任何線性、非線性或電磁仿真。Global Definitions（全局參數定義） 包括用來定義參數值的所有公式或方程。Data Files（數據文件) 包括已經添加到工程的所有數據文件的列表。數據文件是典型的S參數文件或其它類型的包含頻域N端口參數的文件。共五十七頁System Diagrams（系統(tǒng)列表） 用于定義系統(tǒng)仿真中的一些參數。Circuit Schematics（電路原理圖） 包括所有添加到工程的電路原理圖。每個工程可以包含多個原理圖，均作為副項列在Circuit Schem

4、atics組下。EM Structures（電磁結構） 包括所有添加到工程的電磁結構。每個工程可以包含多個電磁結構。Conductor Materials項決定平面導體的材料性質，即損耗特性?？商砑有碌牟牧?。Output Equations（測量輸出公式） 用于在列表或圖示之前(zhqin)，加快處理所有測量數據。共五十七頁 Graphs（測量圖） 共有六種圖表類型：Rectangular（矩形圖）：將測量項顯示在XY軸，通常為頻率。Smith Chart（史密斯圓圖）：將無源阻抗或導納顯示在弧度單位的反射系數圓內。Polar（極化圖）：顯示測量項的幅度與角度。Histogram（柱狀圖）：將

5、測量項顯示為柱狀。Anternna Plot（天線方向圖）：將掃描(方向)范圍顯示為角度，數據(shj)大小顯示為幅度。Tabular（表格圖）：將測量項列表顯示，通常相對于頻率。共五十七頁 Optimizer goals（優(yōu)化目標） 用于輸入工程的期望規(guī)范值。目標可為工程中的任何測量項或輸出公式。Yield Goals（成品率目標） 用于確定成品率目標的期望規(guī)范值。目標可以是工程中的任意測量項或輸出公式。Output files（輸出文件） 可將電路或電磁仿真結果寫成標準的S參數格式。電磁結構還可生成SPICE等效電路。Wizard（設計向導(xingdo)） 用于自動設計電路、測量等，包括

6、濾波器綜合向導、負載牽引向導和掃描變量向導。共五十七頁Elem（元件瀏覽頁） 單擊主窗口左下部的“Elem”標簽即可激活元件瀏覽頁，如圖2所示。元件瀏覽頁分上、下兩部分。上半部分是垂直排列、可展開的元器件總表，類似于窗口瀏覽器；各種元件分類排列，包括線性元件、非線性元件、集總元件、微帶線、帶狀線、傳輸線、信號源、元件數據庫以及測量儀器等； 下半部分是具體的元件模型；繪制原理圖時，首先在元件瀏覽頁上半部分選擇元件類別，然后(rnhu)在下半部分選擇具體的元件模型，向右側繪圖區(qū)拖放，就可以給原理圖添加元件。共五十七頁圖2 Elem瀏覽(li ln)頁共五十七頁Layout（布線(b xin)瀏覽頁

7、） 單擊主窗口左下方的“Layout”標簽即可激活布線瀏覽頁，如圖3所示。布線瀏覽頁分上、下兩部分。圖3 layout瀏覽(li ln)頁共五十七頁 布線瀏覽頁的上半部分包括： Layer Setup 雙擊Layer Setup項可打開一個對話窗（Layer Setup對話窗），進行繪圖層的編輯，包括布線窗中所有(suyu)與繪圖相關的功能。此外，右鍵點擊該項可選擇導入處理定義文件（*.lpf）。 Layout Options 雙擊該項可打開一個對話窗，對布線的相關選項進行編輯。 Cell Libraries 可生成、導入布線元件。元件庫可按GDS或DXF格式輸入。新元件可在繪圖編輯器中生成，

8、并在此激活。 布線瀏覽頁的下半部分是Draw Layers頁，包括能在布線窗中激活并瀏覽各層的各種控制選項。 共五十七頁 Layer Setup 對話窗 在Layout瀏覽(li ln)頁雙擊Layer Setup項，可打開Layer Setup對話窗，如圖4所示。 圖4 layer setup 對話(duhu)窗共五十七頁 Layer Setup對話窗包括6個標簽頁： Drawing Layers 包括Drawing Layers（繪圖層名稱）、Line Clr（線條顏色）、Fill Clr（填充顏色）、Line（線型）、Pattern（層的模式），以及Show（顯示）、Fill（填充）、F

9、reeze（層鎖定）等選項，可顯示及隱藏各層，也可激活某層以便繪圖或編輯。 Layer Mapping 包括在*.lpf文件定義的元件的模型層，在布線窗口以二維和三維顯示的繪圖層?？刂贫咧g的變換。 3D Properties 用來設置布線的三維視圖(sht)。Thickness定義層的厚度，Z-position定義各層在Z軸的位置，Texture暫時不用，Opaque顯示為不透明的三維視圖(sht)，Blend為01之間的數，視圖(sht)為透明和不透明的混合，0是完全透明，1是完全不透明。 共五十七頁 EMsight Mapping 規(guī)定如何將EMsight結構層及vias變換為布線瀏覽

10、。EM layer用于將電磁(dinc)結構層變換為繪圖層。Is Via為通過繪圖層繪制EM結構。 File Layer 用于將繪圖層變換為輸出格式文件（GDS，DXF）。 共五十七頁10.3 基本操作 工程部分 本軟件的工程用來形成原理圖和電磁結構圖，以便(ybin)進行仿真及分析。創(chuàng)建及保存新工程 從主菜單中選擇FileNew Project，創(chuàng)建一個新工程；再選FileSave Project As，則以新名稱保存該工程。本軟件工程是以 *.emp文件保存。軟件一次只能載入一個工程。設置工程單位 從主菜單中選擇OptionsProject Options，選擇Global Units頁，

11、通過增加或減小默認設計單位來編輯工程的全局默認單位。 共五十七頁 設置工程單位(dnwi) 從主菜單中選擇OptionsProject Options，選擇Global Units頁，通過增加或減小默認設計單位來編輯工程的全局默認單位。共五十七頁原理圖部分 工程瀏覽頁中的Circuit Schematics組包括兩種文件：Schematic和Netlist。Schematic：電路(dinl)原理圖。工程的每個原理圖在Circuit Schematics組里都有相應的原理圖項。Netlist：網表圖，將電路圖以網表形式用文字描述。工程的每個網表在Circuit Schematics組里都有相應

12、的網表項。 共五十七頁 添加(tin ji)原理圖 在工程瀏覽頁右鍵單擊Circuit Schematics組，共五十七頁 有以下選項： New：創(chuàng)建空白原理圖 Import：導入文件，即將某文件復制并作為本工程(gngchng)的永久文件。原理圖文件的擴展名為（*.SCH）,網表文件為（*.NET）。 Link：鏈接文件，能處理文件但不復制到工程中。該文件必須始終適于工程讀取。當其他用戶更新該文件時，允許當前工程保留數據不變。 共五十七頁 編輯原理圖 在工程瀏覽頁的Circuit Schematics組，點右鍵選Options項，則顯示一個(y )Circuit Options對話窗，包括:

13、 Harmonic Balance頁：設置諧波平衡模擬器，包括Number of harmonics（諧波數目），iteration settings（迭代設置），Convergence（收斂標準），采樣數目等選項。 Circuit Solvers頁：設置電路求解器。Modeling Option頁：SPICE模型提取選擇。 共五十七頁圖5 電路(dinl)選擇共五十七頁添加元件 已創(chuàng)建(chungjin)空白原理圖后，單擊主窗口左下部的“Elem”標簽。瀏覽頁上部是所有的元器件總表，選中任意元件組，在瀏覽頁下半部分則列出具體元件，選中所需項并拖放至原理圖即可。 添加端口 方法1：通過主菜單。

14、選中原理圖，從主菜單選SchematicAdd Port，或在工具條單擊Port按鈕，將所選項放入原理圖。 方法2：通過元件瀏覽器。在Elem瀏覽頁上部選擇Ports組，下部則顯示不同應用的端口列表，選中所需項并拖放至原理圖。 共五十七頁添加子電路元件 方法1：通過主菜單。選中原理圖，從主菜單選SchematicAdd Subcircuit，或在工具條單擊Sub按鈕，從對話窗列表中選擇數據源的名稱。 注意Grouding Type選項，可控制支路接地方式。Normal為端口內部定義(dngy)接地；Explicit groud node添加一個為所有端口定義(dngy)的公共接地點；Balan

15、ced ports為每個端口有各自的接地點。點OK退出對話窗，將所選項放入原理圖。 方法2：通過元件瀏覽頁。在Elem瀏覽頁上部選擇Subcircuits組，下部則顯示所有可用于支路的項目列表，選中所需項并拖放至原理圖即可。 共五十七頁添加(tin ji)連線 用來連接兩元件的節(jié)點。將光標放在一個節(jié)點上，光標變成線圈時，左鍵單擊此處以確定連線的起點。將光標移動到需轉彎的地方，再次點左鍵，標出轉折點。當光標移動到另一元件節(jié)點上或另一連線頂端時，點擊左鍵，結束連線。中途放棄按Esc鍵。 復制與粘貼 選中任意元件、端口以及連線等，依次按Ctrl+C、Ctrl+V，可以將其復制并粘貼到原理圖中，或者作

16、為元文件粘貼到Word等其它基于Windows的程序中。 添加數據文件 在Proj瀏覽頁，右鍵點擊Data Files項，可選擇導入數據文件。可以將S參數作為數據文件添加。 共五十七頁編輯元件 在原理圖中雙擊元件數值，可以直接更改元件值。如果雙擊元件符號(fho)，則打開Element Options對話窗，可編輯與元件屬性相關的全部參數。 Element Options對話窗 包括Parameters頁、Statistics頁、Display頁、 Symbol頁及Layout頁。 Parameter頁用于設置元件參數，如圖6所示。 共五十七頁圖6 parameters 頁共五十七頁 Para

17、meter頁包括：Name（名稱(mngchng)）、Value（數值）、Units（單位）、Tune（可調諧變量）、Opt（可 優(yōu)化變量）、Limit（受限變量）、Lower（下限）、Upper（上限）、Description（文字描述）等選項。 Statistics頁顯示元件狀態(tài)，如圖7所示。 圖7 statistics 頁共五十七頁 Statistics頁包括：Use（激活變量）、Opt（激活優(yōu)化變量）、ln（變量誤差）、Distribution（誤差分布形式）等項。誤差分布形式中Uniform為平均分布，Normal為高斯分布。 Display頁設置元件顯示狀態(tài)，包括Hide（隱藏）、

18、Hide empty（隱藏未標值的參數）、Hide 2nd（隱藏第二參數）、Hide units（隱藏單位）、Hide label（隱藏標簽(bioqin)）、Left justify（左對齊）、Boldface（加粗）、Description（文字描述）等選項。一般采用默認值。 Symbol頁設置原理圖中的元件符號。一般采用默認值。Layout頁設置原理圖元件在布線圖中所對應的布線模型。 共五十七頁端口編輯 Port（端口）編輯和普通元件編輯是一樣的，雙擊則彈出Element Options對話窗。 選擇(xunz)Element Options對話窗的Port頁，可以改變端口類型，設置端口

19、類型為Source（源）或Termination（終端），并指定其它的相關屬性。 共五十七頁子電路編輯 子電路路也是作為普通元件進行編輯的，雙擊則彈Element Options對話窗。 選擇Element Options對話窗的Groud頁，可以設置(shzh)子電路的接地類型。 共五十七頁線性仿真 線性模擬器采用節(jié)點分析來仿真一個電路的特性，適用于元件可由導納矩陣描述的電路，如低噪聲放大器、濾波器、耦合器等。生成的典型測量項為gain（增益），stability（穩(wěn)定性），noise figure（噪聲指數(zhsh)），reflection coefficient（反射系數），noise

20、 circles（噪聲周期），gain circles（增益周期）。 線性模擬器可以快速、有效地仿真線性電路，其中一個特征就是進行實時調節(jié)，調節(jié)的同時就可以看到仿真的結果，還能進行優(yōu)化（opitimize）及成品率（yield）分析。 共五十七頁非線性仿真 非線性仿真采用諧波平衡法或Volterra級數源來激勵電路。諧波平衡法常用于功率放大器、混頻器、倍頻器等非線性電路，而Volterra級數法是一種線性算法，最適于弱非線性電路，如工作在低于1dB壓縮點的放大器。諧波平衡 諧波平衡仿真是測量電路的端口激勵，這是與線性分析的主要區(qū)別。這就要求添加一個端口，并規(guī)定功率、頻率等參數。可以定義單個及多

21、個激勵端口，以產生單頻及多頻分析。原理圖中的諧波平衡源一經確定，執(zhí)行仿真時將自動(zdng)調用諧波平衡模擬器。 共五十七頁單頻分析 單頻諧波平衡分析包括在基本頻率點、基本頻率的整數倍以及在直流點進行電路的仿真。要求確定基本頻率及諧波的總數。 多頻分析 雙頻及三頻諧波平衡仿真用于確定在不同基本頻率激勵時電路的輸出。雙頻諧波平衡分析適于混頻器等電路，一個頻率用于仿真本地(bnd)振蕩，第二個頻率用于射頻輸入。非線性測量 在時域、頻域均可創(chuàng)建非線性測量，有完整的設置，包括大信號s參數、功率、電壓及電流。因為諧波平衡仿真在每一個諧波上的掃頻功率及頻率上都能進行，這就需要確定級數來固定掃頻參數。共五十

22、七頁電磁仿真 電磁仿真利用麥克斯韋方程來計算物理(wl)幾何結構的響應。由于可以仿真各種任意結構并提供很精確的結果，這種電磁仿真是理想的。另外，由于使用基本方程來計算響應，電磁仿真不受電路模型中的許多約束條件的限制。電磁模擬器的一個局限性是計算時間較長，仿真耗時按問題大小的指數倍增長，因此減少問題的復雜性就很重要，以及時得到結果。 共五十七頁電磁仿真與電路仿真對于電路設計是互補的技術，二者可以結合起來使用，解決很多設計問題。本軟件的電磁模擬器，即電磁視圖（EMSight），可以仿真平面三維結構，包括多種金屬及電介質層，以及各層及地之間的連接通道。電磁視圖在頻域采用Galerkin矩量法（MoM

23、），是分析微帶線、帶狀線、共面結構以及各種更任意介質的極其精確的方法。適當使用可提供一直到100 MHz甚至更高頻段(pn dun)的精確仿真結果，其界面如下圖所示 。共五十七頁共五十七頁布線圖 布線圖是原理圖的物理示意圖。在設計了電路之后，重要的是如何顯示布線圖，以便進行加工生產。本軟件布線圖采用先進的面向對象的設計數據庫，其原理圖與布線圖的創(chuàng)建是緊密結合的。在電路圖中的每一個(y )電器元件都可以指定一個(y )布線表示式，即制版單元（artwork cell），該制版單元可以為該元件建立實際的布線對象。布線圖實際上就是原理圖的另一種視圖，在原理圖中的任何改動，都將自動且立即在布線圖中更新

24、。反之也一樣。這樣，在執(zhí)行仿真前省去了復雜的設計同步及返回注解的需要。 共五十七頁特別需要注意的是，有的電路(dinl)元件，例如微帶線、T接頭、十字線、彎頭及耦合線等常用傳輸線元件，在軟件中有現成的布線表示式。此類元件參數可直接用于布線，所以采用參量化布線單元來布線。而另一類電路元件，主要是集總元件，例如電容、電感以及電阻等，在軟件中沒有現成的布線表示式，需要人為地指定。各種半導體管也需要指定布線表示式（制版單元）來布線。 共五十七頁傳輸線計算器TXLine TXLine（傳輸線計算器）是Microwave Office軟件自帶的軟件包，可以對各種傳輸線的電特性和物理特性進行(jnxng)相

25、互轉換運算，從而免去大量繁瑣的手工計算，既提高了計算精度，也解放了人力。TXLine可以計算微帶線、帶狀線、同軸線等多種結構。 由Microwave Office軟件的主菜單選擇Window TXLine，即可啟動TXLine，界面如圖8所示。 共五十七頁界面的上方為不同結構傳輸線的標簽頁，依次(yc)為微帶線(Microstrip)、帶狀線(Stripline)、共面線(CPW)、接地共面線(CPW Ground)、同軸線(Round Coaxial)、隙狀線(Slotline)、耦合微帶線以及耦合帶狀線。圖8中所示為微帶線標簽頁。 圖8 Txline界面(jimin)圖共五十七頁 在Mic

26、rostrip標簽頁的左上方是材料(cilio)參數，包括Dielectric（介質）、Dielectric Constant（介電常數r）、Loss Tangent（損耗因子）、Conductor（導體）及Conductivity（導電率），其中Dielectric和Conductor項為下拉菜單選項。 頁面右上方是物理結構示意圖。 頁面左下方是電特性參數，包括Impedence（阻抗）、Frequency（頻率）、Electrical Length（電長度）、Propagation Constant（傳播常數）、Effective Diel.Const（有效介電常數）以及Loss（損耗）。

27、 共五十七頁 Electrical Length的單位分2種，deg（度）和rad（弧度），通常取deg。換算公式為：1(波長)360deg2rad，例如(lr)/490deg。 頁面右下方是物理特性參數，包括L（導帶長度）、W（導帶寬度）、H（基片高度）及T（導帶厚度）。頁面中間有2個箭頭，點“ ”可由物理參數算出電參數，點“ ”可由電參數算出物理參數，計算出的參數以下劃線標出。共五十七頁電路仿真舉例1. 仿真一個電感輸入式集總元件濾波器 已知L1L410nH， L2L330nH，C1C38pF，C210pF，輸入輸出斷特性阻抗為50歐，工作頻率1001000MHz2. 調整或優(yōu)化電路(di

28、nl)，使其滿足 f500MHz時，S11-1dB f700MHz時，S21-30dB共五十七頁其初始(ch sh)原理圖為共五十七頁初始仿真(fn zhn)結果為下圖共五十七頁可見，當f354.48MHz時，S1115.28dB大于17dB。調整電路 采用tune tool，調整各參數，直至滿足要求。優(yōu)化電路定義變量：從主菜單選SchematicAdd equation 輸入Lin15，Cin8，將原理圖中的L1，L4的電感值改為Lin，C1，C3的電容值為Cin。選擇優(yōu)化參數： 選中Var瀏覽頁，將所有的參數激活(j hu)，并為其設置上限（Upper），如下圖所示共五十七頁共五十七頁設定

29、優(yōu)化目標 從主菜單中選ProjectAdd Opt Goal,分3次逐步添加S11,S21參數的優(yōu)化目標，步驟如下：在Measurement中選取(xunq)S1,1項，Goal Type欄取MeasGoal,Range欄取start為Min,stop為500MHz，Goal為1；再選S2,1，取MeasGoal，將range欄設為700MHzMax，Goal為30，其他不變；共五十七頁共五十七頁執(zhí)行(zhxng)優(yōu)化： 從主菜單中選SimulateOptimize,優(yōu)化方法選為Random（Local），最大迭代次數為5000次，點Start開始優(yōu)化，優(yōu)化后仿真結果為：共五十七頁不難看出，通帶內基